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超聲波的基本特性
頻率在2kHz以上的聲波稱之為超聲波，由于頻率f升高，波長λ變短使得超聲波比普通聲波具有特殊性，即近似于光的某些特征。如束射性，由一種媒質(zhì)進(jìn)人另一種媒質(zhì)發(fā)生折射、反射等。同時有很強(qiáng)的被吸收性與衰減性，帶有很強(qiáng)的能量。本節(jié)簡要介紹超聲波的幾個主要特征。
【超聲波的束射性】
人耳可感受的聲音是無指向性的球面波，即以聲源為中心呈球面向四周擴(kuò)散周圍均能聽到聲音。由于超聲波頻率很高，所以方向性就相對要強(qiáng)，方向性即柬射性。當(dāng)超聲波發(fā)生體壓電晶體的直徑尺寸遠(yuǎn)大于超聲波波長時，則晶體所產(chǎn)生的超聲波就類似于光的特性，如圖1一1一1所示。
緊靠晶體輻射板的一段叫近場區(qū)，接近于圓柱狀；離晶本輻射較遠(yuǎn)的部分，超聲波以一定的角度擴(kuò)散，叫遠(yuǎn)場區(qū)。若壓晶體圓片的直徑為D,超聲波在該介中的波長為λ，則近區(qū)的長度為：
D2－λ2 D2
N= ———— ≈ —— （D》λ）
4λ 4λ
由上式看出，壓電晶體片直徑愈大或頻率越高，即波長λ愈短，則近場區(qū)的長度愈長，此超聲波場的束射性就愈好。
聲學(xué)工作者用光衍射法，對醫(yī)用超聲波換能器的聲場顯示做了深入、生動的研究。
就是這個研究成果的一組照片，它對我們深入而又形象地理解超聲波的束射性，超聲波的聚焦性，都有很大的幫助。圖1-2是這種是這種光衍射法的實(shí)驗(yàn)光路圖。圖中的He——Ne激光器的波長為6328A（埃），O為一組組合透鏡，它將光束鏡發(fā)出的擴(kuò)散光束變?yōu)槠叫泄馐?。后在相屏上得到的是一個超聲波聲束的倒立的實(shí)相。圖1-3圖1-6的一組照片，就是從這個相屏上拍攝而成的。整個實(shí)驗(yàn)均在暗室中進(jìn)行。圖1-5所示的這張未聚焦的單片換能器的全景超聲波束照片，是我們超聲波治療機(jī)所發(fā)出的超聲波聲束的生動、形象的顯示，是值得我們深入研究和理解的。
理解了超聲波的束射性，對超聲波治療有重要的意義。由于超聲波具有很強(qiáng)的束射性，在超聲波治療時，要注意使用聲頭輻面垂直，對準(zhǔn)治療部位。以由于超聲波聲頭輻射出的超聲波場中心處Z強(qiáng)，愈向外側(cè)愈弱，所以，在超聲波治療操作時，一般都要以一定的速度，在治療部位做小圓周或其它形式的移動，以使治療部位得到的超聲波劑量基本均勻，從而保證治療效果的良好。
【超聲波的透射、反射、折射與聚集】
由于超聲波的頻率較高，所以超聲波在定向傳播時，在兩種不同媒質(zhì)的分界面上，會出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象。
光線的透射、反射與折射現(xiàn)象是常見的。例如，我們在一個黑暗的環(huán)境里將一束光線投身到一個盛滿水的透明玻璃燒杯里，我們將十分清楚地看到光線在水面上產(chǎn)生的透射、反射與折射現(xiàn)象。我們采用圖1一2所示的光衍射法，也可以清楚地看到超聲波聲束的反射、透射與折射現(xiàn)象。見圖1一7。
光的聚集現(xiàn)象是常見的。如果我們手邊在一個放大鏡，在強(qiáng)烈的陽光下，太陽光經(jīng)過放大鏡的聚集到一點(diǎn)，就會將這一點(diǎn)上的紙或者香煙等物點(diǎn)燃。許多人都親身做過這個實(shí)驗(yàn)。
超聲波的聚集現(xiàn)象和光線的聚集現(xiàn)象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會聚到一點(diǎn)，從而將超聲波的聲強(qiáng)提高幾倍甚至幾千倍，利用這樣巨大的聲強(qiáng)可以做許多很有意義的工作。例如:超聲波切割、超聲波鉆孔、超聲波打磨等。
【超聲波的吸收與衰減】
聲波在各種媒質(zhì)中傳播時，由于媒質(zhì)要吸收掉它的一部分能量，所以，隨著傳播路程的增加，聲波的強(qiáng)度會逐漸減弱。
在一個廣場上，一個民族弦樂正在為廣大群眾作街頭演出，許多人聞訊前去觀看和欣賞那動聽的音樂。當(dāng)你從遠(yuǎn)處走近這個樂隊(duì)時，首先聽到的是那音調(diào)低沉的鼓聲，隨著你慢慢走近樂隊(duì)，你就逐漸聽到了鎖吶聲、笛聲、二胡聲等;當(dāng)你后走到樂隊(duì)周圍時，你才聽到了那音調(diào)很高的清脆的鈴聲。
這個例子，很生動地說明了各種不同頻率的聲波，在空氣中傳播時被吸收的程度是不同的。頻率越高的聲波，空氣對它的吸收越強(qiáng)，所以它傳播的距離較短。例如上述樂隊(duì)中音調(diào)很高的鈴聲;因其頻率很高，空氣對它的吸收作用很強(qiáng)，所以傳不遠(yuǎn)。反之，對頻率越低的聲波，空氣對它的吸收較少，因此，它傳播的距離較長。上述樂隊(duì)中音調(diào)低沉的大鼓聲音傳得很遠(yuǎn)，正是由于它的頻率很低的緣故。
聲波在媒質(zhì)中傳播時，被吸收而衰減的另一個特點(diǎn)是對于同一個聲波，當(dāng)它在圍體、液體或氣體，以及各種不同物質(zhì)中傳播時，它被吸收的程度也是不同的。對于一個頻率固定的聲波，在氣體中傳播時，它被吸收的厲害;在液體中傳播時，它吸收的較少；而在固體中傳播時，則被吸收的少。所以，聲波在空氣中傳播的短，在水中則可傳播的遠(yuǎn)一些，而在金屬中則能傳播得很遠(yuǎn)。
以上關(guān)于聲波吸收的兩個特性，無論對可聽聲，或是對超聲波，都是適用的。對于超聲波來講，由于它的頻率很高，所發(fā)，它在空氣中傳播時，被吸特別厲害。據(jù)科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)，頻率為100億Hz的超聲波，在它離開聲源的一剎那間，馬上會被空氣全部吸收掉。在超聲波治療的臨床應(yīng)用中，對于超聲波的吸收特性，必須予以足夠的重視。這一點(diǎn)，在下面的有關(guān)章節(jié)中，將要詳細(xì)談到。
【超聲波的巨大能量】
超聲波之所以在工業(yè)、國防和醫(yī)療等方面發(fā)揮著*而又巨大的作用，還有一個原因是由于超聲波比一般可聽聲有著強(qiáng)大的功率。根據(jù)聲學(xué)工作者的實(shí)驗(yàn)測定，一般的講話聲音的能量是很小的。假設(shè)我們想用普通說話的能量來燒開一壺水，那么，必須動員700多萬人，連續(xù)大聲喊叫12個小時才行。超聲波具有的能量，要比一般可聽聲大的多。根據(jù)有關(guān)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)測定，頻率為100萬赫茲的超聲波的能量，要比同幅度的頻率為1000赫茲的可聽聲能量大100萬倍。所以說，擁有巨大的能量，是超聲波的一個重要特點(diǎn)。超聲波的許多應(yīng)用，也都是利用它的這一特點(diǎn)進(jìn)行工作的。為什么超聲波擁有這么強(qiáng)大的功率呢？這是由于聲波到達(dá)某一物質(zhì)中時，由于聲波的振動作用，使物質(zhì)中的分子隨便之一起振動，兩者振動的頻率是一致的。物質(zhì)分子振動的頻率，決定了該物質(zhì)分子振動的速度，頻率越高，速度越大。我們知道，一個運(yùn)動物體所具有的動能E與其質(zhì)量M和運(yùn)動速度有下列關(guān)系:
E=Mv2
即，運(yùn)動物體的動能與其質(zhì)量成正比，與其速度的平方也成正比。
由于超聲波的頻率很高，它使所進(jìn)入的物質(zhì)分子運(yùn)動速度，也隨之變的很高。根據(jù)上式可知，這樣高的運(yùn)動速度，使該物質(zhì)分子具有很大的動能，這就是超聲波擁有巨大能量的緣故。
【超聲波的聲壓特性】
所謂“聲壓”指的是由于聲波的振動而使聲場中的物體受到附加壓力的強(qiáng)度，單位為公斤/平方厘米，一般可聽聲的聲壓非常微小，其數(shù)值約為0.000001公斤/平方厘米~0.000002公斤/平方厘米。這公微小的聲壓，一般是不引起人們的注意的。但是，超聲波的聲壓，一般是很大的。例如，在水中通過一般強(qiáng)度的超聲波時，因超聲波而產(chǎn)生的附加壓力，可以達(dá)到好幾個大氣壓。超聲波之所以能夠產(chǎn)生這樣強(qiáng)的聲壓，可以達(dá)到好幾個大氣壓，其根本原
因仍然是由于超聲波的頻率很高，所以振動時，使高密度分子間的伸拉很快以致使其間形成瞬時的真空與壓縮高密度區(qū)，產(chǎn)生巨大的壓力差。當(dāng)它的振幅達(dá)到一定程度時，超聲波擁有的能量十分巨大。
當(dāng)超聲波束通過液體時，由于巨大的超聲波聲壓作用，可以在液體中出現(xiàn)"空化現(xiàn)象"。這種現(xiàn)象所產(chǎn)生的瞬時壓力，可以高達(dá)幾千個，甚至上萬個大氣壓!這么巨大的瞬時壓力，使超聲波的應(yīng)用，在許多方面顯示出它*的巨大作用。現(xiàn)在已被普遍應(yīng)用的超聲波清洗，超聲波乳化等，都是超聲波空化現(xiàn)象的具體運(yùn)用。
超聲波的空化現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的呢?讓我們通過觀察一個聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，來了解空化現(xiàn)象產(chǎn)生的奧妙。
在一個盛滿水的玻璃容器中，放大一個超聲波發(fā)生器的聲頭。
在超聲波機(jī)末工作之前，該容器中的液體分子受到的只是大氣壓的壓力，液體的分子都很穩(wěn)定，沒有什么變化。當(dāng)超聲波機(jī)開始工作后，一般強(qiáng)大的超聲波束穿過了整個液體內(nèi)部。我們知道，當(dāng)聲波通往某種物質(zhì)時，由于聲振動現(xiàn)象，這種壓縮和稀疏相互交替的作用，使該物質(zhì)分子受到的壓力產(chǎn)生了變化。例如當(dāng)超聲波振動使水分子壓縮時，水分子所受到壓力將是大氣壓加上水分子被壓縮時受到的壓力，這個變化的壓力就是前面我們所談到的"聲壓"。當(dāng)這個巨大的聲壓使水分子團(tuán)壓縮時，好象水分子團(tuán)受到了來自四面八方的巨大壓力(參看圖1一8A)當(dāng)超聲波振動使水分子稀疏時，水分子又受到了向四面八方散開的拉力(參看圖1一8B)。對于一般的液體，它能經(jīng)受得住聲壓的巨大壓力作用，所以在受到壓縮力時，水分子團(tuán)不會發(fā)生反常的現(xiàn)象。但是當(dāng)水分子團(tuán)受到稀疏作用而受到四面八方的拉力時，它們就支持不住了。在拉力集中的地分，水分子團(tuán)就會斷裂開來，這種斷裂作用，容易發(fā)生在存有雜質(zhì)和氣泡的地方，因?yàn)檫@些地方水的強(qiáng)度特別低，根本經(jīng)不住幾倍于大氣壓力的巨大的拉力作用而發(fā)生斷裂。這種斷裂的結(jié)果，使水中會產(chǎn)生許多氣泡狀的小空腔，這種空腔存在的時間很短，一瞬間，就會閉合起來。小空腔閉合的時侯，會產(chǎn)生巨大的瞬時壓力，一般的可高達(dá)幾千個，甚至上萬個大氣壓。這種巨大的瞬時壓力，可以使懸浮在水中的固體表面受到急劇的破壞，超聲波的絕妙的清洗作用、乳化作用以及超聲波治療中利用超聲波來擊碎 腦血栓和膽結(jié)石塊等，都是運(yùn)用了超聲波的這種巨大的瞬時壓力。這種由于超聲波在液體中的聲壓，而使液體分子團(tuán)破裂而產(chǎn)生無數(shù)氣體小空腔，由于這些小空腔閉合而產(chǎn)生的瞬時壓力的現(xiàn)象，稱之為超聲波的空化現(xiàn)象。超聲波的空化現(xiàn)象，也是超聲波的重要特性之一
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